Modellierung der bainitischen Umwandlung beim Presshärten

Die Entwicklung einer fortschrittlichen Presshärtetechnologie ist für die Automobilindustrie von großem Interesse, da sie ein effizientes Verfahren zur Herstellung von Stahlteilen mit mittlerer bis hoher Festigkeit darstellt, die der steigenden Nachfrage nach leichten Fahrgestellen gerecht werden können. Beim Presshärten wird ein austenitisiertes Stahlblech mit Werkzeugen mit kontrollierter Temperatur gestanzt, in denen sich Austenit im schnellen Abkühlzyklus unter mechanischer Belastung in Martensit, Bainit oder Ferrit umwandelt. Die Anteile dieser Mikrobestandteile hängen von den Prozessparametern ab und können die endgültigen Eigenschaften stark beeinflussen. Daher ist es wichtig, die bainitische Umwandlung unter komplexen Abkühlungs- und Belastungsbedingungen zu verstehen.

Wir haben Modellierungen auf verschiedenen Skalen zusammengefasst, um einen Fahrplan für die chemisch-mechanische Interaktion des bainitischen Presshärteprozesses zu erstellen. Die quantitative Beschreibung der Gefügeentwicklung in diesem Prozess erfordert die Entwicklung neuartiger Modellierungstechniken, um die Wechselwirkung von Phasenumwandlungskinetik und -thermodynamik, elastischen und plastischen Verformungen sowie chemischen Effekten aufgrund von Legierungen korrekt zu erfassen. Sie bieten eine Grundlage für das Verständnis der Phasenumwandlungskinetik unter vollständiger Berücksichtigung der thermo-chemo-mechanischen Kopplung auf allen Längenskalen. Insbesondere konnten wir zeigen:

• Auf der kleinsten Skala können ab initio Methoden für eine parameterfreie Vorhersage von elastischen Parametern mit einer Erweiterung in Richtung großer Verformungen verwendet werden. Eine skalenübergreifende Betrachtung mit einem Vergleich zur klassischen Dichtefunktionaltheorie und zu Phasenfeld-Kristallmethoden ermöglicht ein gründliches Verständnis und eine quantitative analytische Beschreibung der Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, die als Grundlage für die Modellierung der Mikrostrukturevolution auf höheren Skalen dienen können.
  
• Die eingehende Analyse von EBSD-gemessenen Gefügedaten bezüglich der Kristallographie der bainitischen Umwandlung ermöglicht eine mathematische Beschreibung der Umwandlungsplastizität als Ergebnis der Auswahl von Orientierungsvarianten durch angewandte Spannungen. Darüber hinaus extrahieren wir die Variantenselektionsmechanismen, die für die Formulierung der mesoskopischen Beschreibungen von zentraler Bedeutung sind.
  
• Die Nähe zu Grenzflächen, z.B. Ferrit-Austenit-Grenzflächen oder Korngrenzen, kann die lokale Thermodynamik der Karbidausscheidung über eine elastische Wechselwirkung beeinflussen. Wir zeigen, wie diese Skalenüberbrückungseffekte für die Nutzung der Gleichgewichtseigenschaften und der Ausscheidungskinetik von Karbiden in der Nähe von Oberflächen und Grenzflächen unter dem Einfluss von äußeren und inneren Spannungen effektiv formuliert werden können.
  
• Thermodynamisch konsistente Phasenfeldbeschreibungen unter Verwendung nicht-diagonaler Wechselwirkungen erlauben es, die Beschreibungen auch im Bereich endlicher Diffusionskontraste in den Phasen quantitativ und konsistent mit scharfen Grenzflächenmodellen zu verbinden. Basierend auf den Phasenfeldmodellen haben wir die Rolle mechanischer Spannungen auf die Phasenumwandlungskinetik auf der Ebene der Karbidausscheidungen unter kontrollierter Berücksichtigung elastischer und plastischer Wechselwirkungen untersucht.

Referenz: Lin,M.;Zimmermann,C.; Wang, K.; Hunkel, M.; Prahl, U.; Spatschek, R. Modeling Bainitic Transformations during Press Hardening. Materials 2021, 14, 654. https://doi.org/10.3390/ma14030654